Проектирование электропривода магистральной нефтеперекачивающей станции

 

Прочие достоинства  высоковольтных частотных преобразователей CTA-B9.HVI:

-ПИД-регулятор

-интегрированный  интерфейс RS-485 ModBus

-высокий  КПД - выше 96%

-низкое содержание  гармоник в сети

-оптоволоконная  линия связи между силовой  и логической цепями

-контроль  неисправностей и аварийных ситуаций  в работе системы

-соответствие  стандартам и спецификациям EN(IEC), ANSI, CSA, VDE, BS, CE,NEMA,UL,IEEE.

 

Технические данные для ПЧ типа СТА-В9.HVI-10кВ

Параметр	Единица измерения	Значение
Полная мощность	кВА	10000
Номинальная мощность	кВт	8000
Выходной ток	А	580
Вес	кг	<22300
Входной коэффициент мощности	-	>0.97
КПД	%	>96

 

Метод управленияAC-DC-AC&DC ШИМ

Перегрузочная способность 120% (1 мин), 150% (2 с), 160% (непосредственная защита); ЧП с высокой перегрузочной способностью: 150% (1 мин), 180% (2 с), 200% (непосредственная защита).

Защитные  функции Перегрузка по току, чрезмерная нагрузка, короткое замыкание, дисбаланс фаз, кратковременное пропадание напряжения питания, потеря входной/выходной фазы, перегрузка по напряжению, низкий уровень напряжения, перегрев, отключение по внешней ошибке, автоматический байпас силовой ячейки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема подключения высоковольтных частотных  преобразователей CTA-B9.HVI

 

3. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ    РАЗОМКНУТОЙ  СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

 

3.1 Структурная схема  системы ПЧ-АД

 

Переходным процессом называется режим работы электродвигателя при  переходе из одного установившегося  состояния в другое, сопровождающееся изменением его тока, момента, частоты.

При этом уравнение равновесия имеет  вид [1]:

 

                                                (3.1)

 

При математическом описании мы имеем  право пренебречь электромагнитной постоянной времени и считать  переходные процессы электромеханическими, так как при питании от преобразователя  частоты асинхронный электродвигатель работает исключительно на прямолинейных  участках механических характеристик.

Так как в системе ПЧ-АД  электродвигатель работает только при скольжениях, меньших  критического,  то является целесообразным использовать математическое описание прямолинейного участка характеристики, которое можно представить следующим  образом:

 

w = w он a - Dw ,                                                 (3.2)

 

где w он – скорость идеального холостого хода при частоте f, равной                  номинальной частоте fн;

a = f / fн – относительная частота напряжения питания;

Dw  – статическое падение скорости.

  Так как на рабочем участке механические характеристики двигателя в системе ПЧ-АД параллельны, то при данном Мс статическое падение скорости является величиной постоянной, то есть (3.2) можно представить в виде:

 

w = w он a - К М,                                                   (3.3)

 

где К – коэффициент пропорциональности между М и Dw.

     Этот коэффициент  можно определить, исходя из следующих  соображений: он является постоянным  для любой точки характеристики, в том числе и для точки  номинального режима на естественной  характеристике, то есть из (3.3) можно  записать

 

wн = w он a - К Мн.                                             (3.4)

 

     Из (3.4) после алгебраических  преобразований получаем:

 

                                     К =  w он Sн / Мн.                                                 (3.5)

 

     Подставляем в (3.3) вместо К его значение из (3.5) и после алгебраических преобразований получаем математическое описание момента двигателя на линейных участках механических характеристик:

 

                                   М = (w он a - w ) Мн / Sнw он .                            (3.6)

 

     Дальнейшее математическое  описание целесообразно вести  в относительных единицах (здесь  относительные величины обозначаются  значком *); в качестве базовых  используются: Мн, w он, fн.

 

Тогда (3.6) принимает вид:

 

                                   М* = (a - w* )/ Sн.                                                 (3.7)

 

Из уравнения движения электропривода получаем:

 

                               М = Мс + Тм (Мкн / w он)( dw / dt ),                       (3.8)     

 

где  Тм = Jw он / Мкн – электромеханическая постоянная времени;

        Мкн – критический  момент на характеристике при  f = fн.

     Представим (3.8) в относительных  единицах:

 

                              М* = Мс* + Тм (Мкн / Мн) (dw* / dt ).                    (3.9)

 

     Здесь Мкн / Мн = l - перегрузочная способность двигателя. Причем закон совместного изменения частоты и напряжения преобразователя выбирается именно из условия получения постоянной перегрузочной способности при любой форме зависимомти от скорости момента статического, то есть для всех реально возможных режимов эта величина остается неизменной. Следовательно (3.9) можно записать:

 

                             М* = Мс* + Тмl (dw* / dt ).                             (3.10)

 

     Определим из (3.10)    dw* / dt и представим полученное уравнение и (3.7) в операторной форме:

 

                                                     1

w* (р) =( М*(р)- Мс* (р) )    ¾¾¾ .                        (3.11)

                                                 lТмр

 

                             М*(р) = (a (р) - w*(р)) / Sн.                                        (3.12)

 

     На основании (3.11), (3.12) построена структурная схема  асинхронной машины при ее  работе на прямолинейных участках  механических характеристик, приведенная  на рис.3.2

 

Рис. 3.1. Структурная схема асинхронной  машины

 

     Как указывалось выше, преобразователь частоты состоит  из выпрямителя и инвертора,  соединенных последовательно. Если, согласно [8], представить их апериодическими звеньями с постоянными времени Тв   и Ти соответственно, то передаточная функция Wп(p) преобразователя имеет вид:  

 

Wп(p) = Кп / [(Tв + 1)(Tи p+1)],                        (3.13)

 

где Кп – коэффициент усиления ПЧ.

     После алгебраических  преобразований (3.13) можно записать

 

Wп(p) = Кп / (TвТи p2+Tв p+Tи p+1) .              (3.14)

 

     Как указывалось выше, постоянная времени выпрямителя Тв = 0,01с, а величина постоянной времени инвертора определяется его конструкцией.

Если инвертор построен на базе тиристорных ключей, то его постоянная времени Ти = 0,01, если - на базе тразисторов, то его можно считать безъинерционным звеном с постоянной времени равной нулю. Если Ти = 0,01, то  TвTи = 0,0001с. Этой величиной можно пренебречь и тогда

 

Wп(p) = Кп / [(Tв+Tи)p+1)] .                               (3.15)

 

 Следовательно, 

 

Wп(p) = f (р) / Uз = Кп / [(Tв+Tи)p+1)].              (3.16)

 

 Представим (4.63) в относительных  единицах, где базовым значением  Uз является Uзн, при котором на выходе преобразователя имеется напряжение с частотой fн, равной номинальной. Имея в виду, что в установившемся режиме UзнКп = fн, получаем:

 

a(р) = U*(р) / [(Tв+Tи)p+1)].                            (3.17)

 

На основании (3.17) с учетом схемы  рис. 3.1 строится структурная схема  разомкнутой системы ПЧ-АД, приведенная  на рис. 3.2

 

Рис. 3.2. Структурная схема системы  ПЧ-АД

 

 

 

Эта система описывается следующими дифференциальными уравнениями:

 

                                                (3.2)

                                                   (3.3)

                                                    (3.4)

 

где w^*=w/w_он – относительная скорость;

w_он – скорость идеального холостого хода при частоте f=f_н;

М^*=М/М_н – относительный момент;

a^* = f/f_н – относительная частота;

U_З^*=K_З·t, где  K_З=1/tn – коэффициент скорости изменения частоты выходного напряжения преобразователя;

S_н - номинальное скольжение асинхронной машины.

 

3.2 Расчет и построение кривых  переходных процессов в разомкнутой  системе электропривода

 

Рассчитаем основные элементы структурной  схемы, изображенной на рис. 3.2.

Т_в - постоянная времени выпрямителя, Т_в=0,01 с.

Т_и - постоянная времени инвертора, определяемая его конструкцией.

Так как  в используемом ПЧ инвертор построен на тиристорах, то Т_и=0,01 с.

Т_м- электромеханическая постоянная времени,

                                                (3.5)

При этом                             M_КЗ=0,9·М_Н, где М_Н=P_n/ω_n

M_Н=8000/312=25,6 кН·м

M_КЗ=0,9·25,6=23,04 кН·м

        Тогда                                    

Далее производим построение функциональной схемы в программном пакете MATLAB Simulink, подставляя рассчитанные числовые значения. Блок-схема программы, для осуществления плавного пуска с последующими режимами сброса и наброса нагрузки, имеет схему представленную на

рис. 3.3.

 

 

Рис. 3.3. Функциональная схема разомкнутой  системы ПЧ-АД, для осуществления  плавного пуска, в пакете MATLAB Simulink

 

 

В блоке U_з формируется напряжение задания, блок М_с позволяет осуществить квадратичную зависимость статического момента от частоты, 1/Tps+1 и (1/lambda)/Tms – промежуточные передаточные функции, на выходе которых формируются соответственно частота и скорость (в относительных единицах), 1/sn – аналоговый усилитель. Скорость и суммарный момент электродвигателя подаются на осциллограф Scope.

Построим в полученной системе  кривые переходных процессов для  плавного пуска электродвигателя с  последующими режимами наброса и сброса нагрузки представленные на рис. 3.4. и рис. 3.5.

 

Рис. 3.4. Кривые переходного процесса плавного пуска двигателя

 

Рис. 3.5. Кривые переходного процесса наброса и сброса нагрузки